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硅酸盐矿物-水界面产生活性氧及其氧化Ce(III)的机制

批准号:
42202037
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
20.0 万元
负责人:
吴逍
学科分类:
矿物学(含矿物物理学)
结题年份:
2024
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
吴逍

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
在蓝细菌进化产氧光合作用之前,太古代地表在极端缺氧的大气下局部出现氧化风化,这些氧化事件主要由非生物氧化剂导致。我们前期研究发现,石英-水界面反应可产生过氧化氢、羟基自由基等活性氧组分(ROS),并形成太古代局部氧化环境,为产氧光合作用进化提供H2O2。我们关注到多种硅酸盐矿物经机械磨蚀后均可产生ROS,这可能对太古代地表氧化有重要贡献。然而,不同矿物产氧能力存在差异及其控制因素尚不明确,制约了人们对ROS在早期氧化事件中所扮演重要角色的认识。本申请拟在模拟太古代极端缺氧的大气条件下,采用自由基捕获实验技术,研究不同结构的硅酸盐矿物产生ROS的能力及其控制因素,并以Ce异常作为示踪氧化还原环境变化的指标,开展ROS氧化Ce(III)的实验,检验ROS导致太古代地表氧化风化的可行性。本研究有潜力提供一种具有重要地质意义的非生物产氧途径,同时提供一种正向演绎早期地球演化的实验矿物学研究方法。
英文摘要
Prior to the innovation of oxygenic photosynthesis by cyanobacteria, local oxidative weathering occurred on the Archean terrestrial surfaces beneath the anoxic atmosphere, which were mainly triggered by abiotic oxidants. Our previous study found that, reactive oxidizing species (ROS, e. g., H2O2 and •OH) could be generated at quartz-water interface, which could have created local oxidized environments in the Archean and provided H2O2 for the oxygen-requiring evolution of oxygenic photosynthesis. We notice that various silicates that experienced mechanic abrasions can react with water and produce ROS, which might have contributed to the oxidation of the Archean terrestrial surface. However, the ROS production of various silicates and their constraint by structural factors are not clear, which limits the understanding in the role of ROS in early oxidative weathering. This application intends to investigate the ROS production at various silicate-water interfaces and their control mechanism by using the free radical-capturing experiment techniques. The Ce anomaly is taken as the proxy to trace changes in redox conditions, and ROS-oxidizing Ce(III) experiments will be conducted to test the feasibility of triggering the Archaean oxidative weathering by ROS. This research has the potential to provide a geologically significant abiotic oxygen-producing pathway, and an experimental mineralogy method for deducing the evolution of the early Earth.
早期地球表面在中-晚太古代时期发生了氧化风化,导致还原性矿物氧化溶解为可迁移的金属离子并在沉积页岩中富集,这种地球化学现象早于产氧光合作用起源,但可能与矿物机械化学氧化剂有关。本项目选择地表常见的硅酸盐矿物为研究对象,采用矿物界面化学实验和基于第一性原理的密度泛函计算,研究了矿物表面在机械磨蚀作用下产生活性氧(ROS)的能力和化学机制,并探讨了其氧化三价铈(Ce3+)元素的可行性。获得以下结论:(1)在无氧条件下,多种磨损硅酸盐矿物均可在水中反应生成ROS,长英质矿物的ROS产量高于铁镁质矿物,磨损矿物的自由基(SiO•和SiOO•)密度和ROS产量与硅酸盐矿物结构紧密相关;(2)硅酸盐矿物中Si–O键的均裂产生自由基的几率受到硅氧四面体[SiO4]所处的结构环境控制,Si–O均裂几率在[SiO4]高聚合程度的矿物中相对较高;(3)从铁镁质岩石到长英质岩石,ROS产量呈现出明显的增加趋势,而太古代大陆地壳的长英质化和逐渐增强的构造活动提供了机械化学产氧的有利条件,推演机械化学氧化剂在太古代地表氧化中的贡献明显增强;(4)矿物机械化学氧化剂可以直接氧化Ce3+,导致稀土元素分布的Ce异常,这可能在沉积地层中形成地球化学信号。.本项目全面完成了基金项目任务书的工作内容,达到了研究目标,取得显著的研究成果。目前,已发表标注论文6篇,其中SCI论文2篇,国内会议论文2篇。
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